(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム焼結体に対して、高エネルギー線を照射することによって、ＪＩＳ Ｚ ８７２１に規定される明度がＮ４以下となるように黒色化することを特徴とする黒色化窒化アルミニウム焼結体からなるパワーモジュール用セラミックス基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール用基板におけるセラミックス基板と回路層となる金属板とを、短時間かつ均熱条件下でろう接可能とするとともに、余剰ろう材の流れ出し、乗り上げ等の発生を防止した黒色化窒化アルミニウム焼結体からなるパワーモジュール用セラミックス基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体素子の中でも電力供給のためのパワーモジュールは発熱量が比較的高く、これを搭載する基板としては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）等からなるセラミックス基板上に、例えば、Ｃｕ、Ａｌ等の金属板をＡｌ−Ｓｉ系のろう材等を介して接合させたパワーモジュール用基板が用いられている。この金属板は、後工程のエッチングにおいて回路が形成されて回路層となる。そして、エッチング後は、この回路層の表面にはんだ材を介して半導体チップ等のパワー素子（電子部品）が搭載されパワーモジュールが構成される。
【０００３】
また、セラミックス基板の下面に、放熱のための熱伝導層としてＡｌ等の金属板を接合し、この金属板を介してヒートシンク等の放熱板上にパワーモジュール用基板全体を取り付けたものも知られている。
【０００４】
しかし、上記従来のパワーモジュール用基板においては、セラミックス基板と金属板とのろう接に際に、ろう材余剰分の流れ出し、乗り上げ等の問題が生じやすく、これを解決すべく種々の提案がされている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板と、アルミニウムからなる金属板とを接合したパワーモジュール用基板において、エッチングにより回路を形成したアルミニウムからなる金属板の厚さを、半導体搭載部では薄くすることにより、ろう材の流れ出し、搭載チップの位置ずれ等を防止することが提案されている。
【０００６】
また、例えば、特許文献２では、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等からなるセラミックス基板の表面に、純Ａｌ、Ａｌ合金からなる導体パターンを、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材により接合し、この導体パターンの表面に半導体チップを設けたパワーモジュール用基板において、セラミックス基板の表面には、溶融したろう材の余剰分を収納する収納部を形成すること、また、半導体チップが設けられる導体パターンの表面において、少なくともその外周縁から内側に１ｍｍ以上離れた部分は、ろう材のＳｉ含有量を３ｗｔ％以下とすることによって、ろう材の乗り上げを防止することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２４２３３０号公報
【特許文献２】特開２００７−２５８４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、パワーモジュール用基板の生産効率および接合信頼性の観点からは、余剰ろう材の流れ出し、乗り上げ等の問題を生じることなく、より短時間でかつ均質に、セラミックス基板と回路層となる金属板との接合を行うことが望まれる。
【０００９】
そこで、本発明は、セラミックス基板と回路層となる金属板との接合に際し、ろう材の流れ出し、乗り上げ等の問題を生じることなく、より短時間で、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下で接合を行い得る、パワーモジュール用セラミックス基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
【００１１】
すなわち、従来からパワーモジュール用基板のセラミックス基板として用いられている各種セラミックス（例えば、窒化アルミニウム（以下、ＡｌＮで示す）、酸化アルミニウム（以下、Ａｌ２Ｏ３で示す）、窒化珪素（以下、Ｓｉ３Ｎ４で示す））について、熱伝導性、曲げ強度、製造コストおよび接合性等の観点から特性比較を行うと、それぞれ一長一短があるものの、卓抜した熱伝導性の点からＡｌＮがセラミックス基板として有望視されている。
【００１２】
ところで、ＡｌＮは、通常褐色あるいは肌色の色調を呈しているが、セラミックス基板を構成するＡｌＮ焼結体の製造にあたり、ＡｌＮをより一層黒色化し、黒色化ＡｌＮ基板をセラミックス基板として用いた場合には、回路層となる金属板とのろう接に際し、接合時の輻射による熱吸収効率を高めることができるため、ろう接による接合時間を短縮化することができ、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下（例えば、設定温度±１℃以内）で接合を行うことができることから、接合に際し、余分なろう材を必要とせず、かつ、ろう材余剰分の流れ出し、乗り上げ等の問題発生を大幅に低減し得ることを見出したのである。
【００１３】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであって、
「（１）窒化アルミニウム焼結体に対して、高エネルギー線を照射することによって、ＪＩＳ Ｚ ８７２１に規定される明度がＮ４以下となるように黒色化することを特徴とする黒色化窒化アルミニウム焼結体からなるパワーモジュール用セラミックス基板の製造方法。」
を特徴とするものである。
【００１４】
本発明について、以下に詳細に説明する。
【００１５】
図１に、本発明のセラミックス基板を用いたパワーモジュール用基板の概略斜視図を示す。
【００１６】
図１において、パワーモジュール用基板（１）は、本発明のセラミックス基板（２）を有しており、このセラミックス基板（２）のパワーモジュール用基板の表側に回路層となる金属板、即ち、回路層用金属板（３）が積層されるとともに、裏面側に放熱のための熱伝導層となる熱伝導層用金属板（４）が積層された構成である。
【００１７】
これら回路層用金属板（３）および熱伝導層用金属板（４）は、例えば、純Ａｌにより形成されている。
【００１８】
セラミックス基板（２）は、後述する黒色化ＡｌＮ焼結体によって構成されている。ここで、セラミックス基板（２）の厚さは、例えば０．５〜１．０ｍｍであることが望ましい。
【００１９】
そして、セラミックス基板（２）の下面には、例えば、Ａｌのような高熱伝導率を有する金属により形成された熱伝導層用金属板（４）が、ろう材層（図示せず）によってセラミックス基板（２）に接合されている。ここで、熱伝導層用金属板（４）の厚さは、例えば０．１〜５．０ｍｍである。また、ろう材層は、例えばＡｌ−Ｓｉ系ろう材（例えばＡｌ：９３重量％、Ｓｉ：７重量％、厚さ１０μｍ以上１５μｍ）またはＡｌ−Ｇｅ系のろう材により形成されていることが望ましい。
【００２０】
また、セラミックス基板（２）の上面には、熱伝導層用金属板（４）と同様に、例えばＡｌのような高熱伝導率を有する金属により形成された回路層用金属板（３）が、間隔を適宜あけて配置されることで回路を構成する。そして、回路層用金属板（３）は、ろう材層（図示せず）によってセラミックス基板（２）に接合されている。ここで、回路層用金属板（３）の厚さは、例えば０．１〜５．０ｍｍである。また、ろう材層は、例えばＡｌ−Ｓｉ系またはＡｌ−Ｇｅ系のろう材により形成されていることが望ましい。
【００２１】
また、回路層用金属板（３）の上面には、電子部品（図示せず）がハンダ層によって固着される。ここで、電子部品としては、例えば半導体チップが適用可能であり、半導体チップとしてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワーデバイスが挙げられる。
【００２２】
パワーモジュール用基板（１）に用いられる本発明のセラミックス基板（２）としては、例えば、以下に示す方法で製造される、ＪＩＳ  Ｚ  ８７２１に規定する明度がＮ４以下の黒色化ＡｌＮ焼結体を用いる。
【００２３】
そして、本発明のパワーモジュール用セラミックス基板（２）においては、上記黒色化ＡｌＮ焼結体からなるセラミックス基板（２）を用いることによって、セラミックス基板（２）と回路層用金属板（３）との接合に際し、接合時の輻射による熱吸収効率を高めることができるため、接合時間を短縮化することができ、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下で接合を行うことが可能となる。
【００２４】
さらに、その結果として、余分なろう材を必要とせず、ろう材余剰分の流れ出し、乗り上げ等の問題発生を大幅に低減することができる。
黒色化窒化アルミニウム（黒色化ＡｌＮ）焼結体：
通常、ＡｌＮ焼結体は、褐色または肌色の色調を呈するが、これを黒色化するための手段としては、ＡｌＮ粒子からなる原料粉末中に焼結助剤、添加物等を添加し、これを焼成することにより、黒色化ＡｌＮ焼結体を得ることが既に知られている（例えば、特公平５−６４６９７号公報参照）。
【００２５】
しかし、焼結助剤、添加物等を使用して黒色化ＡｌＮ焼結体を得た場合には、ＡｌＮ焼結体の黒色化による輻射熱吸収効率の向上は図られるものの、その反面、不純物成分の増加により熱伝導性、強度、接合性等が低下するため、パワーモジュール用基板のセラミックス基板としては好ましくない。
【００２６】
そこで、本発明では、焼結助剤、添加物等を添加することなく、ＡｌＮ焼結体の製造工程において、高エネルギー線（例えば、紫外線、Ｘ線）の照射処理を行うことにより、ＡｌＮ焼結体の黒色化を図ることとした。
【００２７】
高エネルギー線の照射条件を適切に選択することによって、ＡｌＮ焼結体の明度を調製し、黒色化ＡｌＮ焼結体を得ることが可能となる。
【００２８】
ここで、明度とは、物体表面の反射率が大きいか、小さいかを判定する視覚の属性を示す尺度であって、この表示方法は、「ＪＩＳ Ｚ ８７２１」に規定されている。
【００２９】
上記明度がＮ４よりも大きい場合には、ＡｌＮ焼結体の輻射熱吸収効率が高まらず、その結果として、接合時間の短縮化を図ることができず、また、均熱条件下（例えば、設定温度に対する最大バラつき１．２℃以内）でろう接を行うこともできないので、本発明では、ＡｌＮ焼結体の黒色化の程度を、ＪＩＳ Ｚ ８７２１に規定される明度でＮ４以下とすることが必要である。
黒色化ＡｌＮ焼結体の製造方法：
まず、還元窒化法によって得られた高純度（純度９７％以上）のＡｌＮ粉末を原料粉末として用意し、この高純度ＡｌＮ粉末を、例えば、一軸加圧成形法やコールドアイソスタティックプレス（ＣＩＰ）法によって成形して成形体を得た後、この成形体を、ホットプレス法やホットアイソスタティックプレス（ＨＩＰ）法により、焼成圧力：３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上、焼成温度：１７５０〜１８５０℃の還元性雰囲気中で焼成する。
【００３０】
ついで、焼成後のＡｌＮ焼結体に対して、高エネルギー線を所定時間（例えば、３６５ｎｍの波長の紫外線を０．５〜３０分間）照射することによって、ＪＩＳ Ｚ ８７２１に規定する明度がＮ４以下の黒色化ＡｌＮ焼結体を得ることができる。
【００３１】
上記の黒色化ＡｌＮ焼結体を、パワーモジュール用基板におけるセラミックス基板として用いることにより、短時間で、かつ、基板内部での接合温度の最大バラツキが設定温度の１．２℃以内の均熱条件下で、ろう接を行うことができる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のパワーモジュール用セラミックス基板によれば、セラミックス基板が黒色化ＡｌＮ基板で構成されているため、セラミックス基板と回路層となる金属板とのろう接を行った際に、接合時の輻射による熱吸収効率を高めることができることから、短時間で、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下でろう接を行うことができるとともに、余分なろう材を必要としないばかりか、ろう材の流れ出し、乗り上げ等の不具合のないすぐれたパワーモジュール用基板を提供し得るのである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】パワーモジュール用基板の一つの実施形態の概略断面図を示す。
【図２】均熱性試験のための装置概略図を示し、（ａ）が斜視図、（ｂ）は縦断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に、本発明を実施例により説明する。
【実施例】
【００３５】
まず、黒色化ＡｌＮ焼結体からなる本発明のセラミックス基板を、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程により作製した。すなわち、
（ａ）還元窒化法によって得られた高純度（純度９７質量％以上）のＡｌＮ粉末を原料粉末として用意した。
（ｂ）この高純度ＡｌＮ粉末を、コールドアイソスタティックプレス（ＣＩＰ）法によって成形し、成形体を得た。
（ｃ）この成形体を、ホットアイソスタティックプレス（ＨＩＰ）法により、焼成圧力：３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上、焼成温度：１７５０〜１８５０℃の還元性雰囲気中で焼成した。
（ｄ）焼成後のＡｌＮ焼結体に対して、表１に示す条件で、高エネルギー線としての波長３６５ｎｍの紫外線を照射し、厚さ約０．６５ｍｍの黒色化ＡｌＮ焼結体からなる本発明セラミックス基板１〜１０を作製した。
【００３６】
比較のために、
（ａ）還元窒化法によって得られた高純度（純度９７質量％以上）のＡｌＮ粉末を原料粉末として用意し、
（ｂ）この高純度ＡｌＮ粉末を、コールドアイソスタティックプレス（ＣＩＰ）法によって成形し、成形体を得て、
（ｃ）この成形体を、ホットアイソスタティックプレス（ＨＩＰ）法により、焼成圧力：３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上、焼成温度：１７５０〜１８５０℃の還元性雰囲気中で焼成する
（ｄ）焼成後のＡｌＮ焼結体に対して、高エネルギー線照射を行わずに、あるいは、本発明範囲外の明度が得られる（表１に示す条件で）高エネルギー線照射を行うことにより、厚さ約０．６５ｍｍのＡｌＮ焼結体からなる比較例セラミックス基板１１、１２を作製した。
【００３７】
ついで、本発明セラミックス基板１〜１０と比較例セラミックス基板１１、１２の黒色化の程度を測定し、明度を求めた。
【００３８】
まず、黒色化の程度については、「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ」１０１[１０]ｐ．１１８９〜１１９１（Ｄｉｓｃｏｌｏｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｌｕｍｉｎａ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｗｉｔｈ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｅｌｕｃｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｔｓ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）にも紹介されているように、５００Ｗのキセノンアークランプ（波長範囲：２３０〜１０００ｎｍ）を光源として用い、１〜３分間、上記各セラミックス基板に照射し、３００〜７００ｎｍのＤＲＳ（拡散反射スペクトル）を、“Ｈｉｔａｃｈｉ  Ｕ−３２００”記録計で測定した。
【００３９】
次いで、該測定値を、ＪＩＳ Ｚ ８７２１の規定にしたがって定量化した。
【００４０】
即ち、ＪＩＳ Ｚ ８７２１では、理想的な黒の明度を０とし、理想的な白の明度を１０とし、理想的な黒と理想的な白との間で、その色の明るさの知覚が等歩度となるように各色を１０分割し、Ｎ０〜Ｎ１０の記号で表示しているので、本発明セラミックス基板１〜１０と比較例セラミックス基板１１、１２を構成するＡｌＮ焼結体の明度を求めるにあたり、Ｎ０〜Ｎ１０に対応する各標準色票と、ＡｌＮ焼結体の表面色とを比較し、ＡｌＮ焼結体の明度を決定した。この際、原則として小数点一位まで明度を決定し、かつ小数点一位の値は０または５とした。
【００４１】
測定した明度を、表１に示す。
【００４２】
【表１】
0005741913.tif 000002
次いで、図１、図２に示すように、回路層用金属板（３）および熱伝導層用金属板（４）を純度９９．９８％の純Ａｌで構成し、Ａｌ−Ｓｉ系（Ａｌが９３ｗｔ％、Ｓｉが７ｗｔ％）のろう材を用いて、上記本発明セラミックス基板（２）１〜１０、あるいは、比較例セラミックス基板（２）１１、１２と、回路層用金属板（３）、熱伝導層用金属板（４）とをろう材層を介して仮固定した。
【００４３】
ここで、熱伝導層用金属板（４）および回路層用金属板（３）の厚さは、約０．４ｍｍ、ろう材層の厚さは約１３μｍである。
【００４４】
また、仮固定は、揮発性有機媒体（オクタンジオール）を用いて行った。
【００４５】
次いで、熱伝導層用金属板（４）／ろう材層／本発明セラミックス基板（２）１〜１０／ろう材層／回路層用金属板（３）、あるいは、熱伝導層用金属板（４）／ろう材層／比較例セラミックス基板（２）１１〜１３／ろう材層／回路層用金属板（３）という仮固定した積層構造体からなる試験片（１３）を、図２に示す均熱性試験装置（１１）に挿入した。
【００４６】
図２の均熱性試験装置（１１）は、黒鉛製支柱（１２）と、試験片（１３）を載置する黒鉛製基台（１４）と、試験片（１３）の上面を覆う黒鉛製上板（１５）を備えた枠体で構成される。
【００４７】
次いで、図２に示すように、黒鉛製上板（１５）の４箇所に貫通穴（１６−１）〜（１６−４）を形成し、該貫通穴（１６−１）〜（１６−４）を通して、試験片（１３）の温度測定点に対応する位置に接触させて熱電対（１７−１）〜（１７−４）を挿入する。なお、本発明では、均熱性評価のための温度測定は、回路層用金属板（３）の４箇所、即ち、回路層用金属板（３）の短辺中央、長辺中央、中央、隅の４箇所とし、熱電対（１７−１）〜（１７−４）を挿入する貫通穴（１６−１）〜（１６−４）は、それぞれに対応する位置に形成した。
【００４８】
ついで、上記均熱性試験装置（１１）全体を加熱炉（図示せず）に装入し、真空雰囲気で、室温からろう接設定温度まで加熱昇温し、該ろう接設定温度に所定時間保持することにより、本発明パワーモジュール用基板（２）（以下、本発明１〜１０という）および比較例パワーモジュール用基板（２）（以下、比較例１１、１２という）を作製した。
【００４９】
表２、表３に、上記で作製した本発明１〜１０および比較例１１、１２の、ろう接設定温度、該設定温度にまで加熱昇温するのに要した加熱時間を示し、また、ろう接設定温度に５７分間保持した後で測定した試験片（１３）の温度（即ち、回路層用金属板（３）の短辺中央、長辺中央、中央、隅の４箇所の温度）の最大のバラツキ温度を示した。
【００５０】
さらに、表２、表３に、接合後のろう接部近傍のろう材の流れ出し、ろう材の乗り上げ状況を観察した観察結果を示す。
【００５１】
なお、ろう材の流れ出しの有無の評価については、接合界面に必要なろう材が残っているか否かを超音波検査で測定し、超音波検査で接合界面の接合率が９７．０％以上である場合を「流れ出し無」とし、接合率が９７．０％未満である場合を「流れ出し有」と判定した。
【００５２】
また、ろう材の乗り上げの有無の評価については、回路層用金属板（３）の表面に、該表面の１０面積％以上にろう材の乗り上げがある場合を「乗り上げ有」とし、乗り上げ面積が１０面積％未満である場合を「乗り上げ無」と判定した。
【００５３】
【表２】
0005741913.tif 000003
【００５４】
【表３】
0005741913.tif 000004
表１〜３に示す結果から、本発明１〜１０においては、そのセラミックス基板１〜１０がいずれもＪＩＳ  Ｚ  ８７２１に規定する明度がＮ４以下の黒色化ＡｌＮ焼結体で構成されており、このため、パワーモジュール用基板を作製する際の回路層用金属板、熱伝導層用金属板とのろう接を、短時間で、しかも、接合温度のバラツキの少ない均熱条件下で行う事ができ、さらにその結果として、ろう材の流れ出し、乗り上げ等の問題を生じることはない。
【００５５】
しかるに、比較例１１、１２のセラミックス基板１１、１２は、いずれも、ＪＩＳ  Ｚ  ８７２１に規定する明度がいずれもＮ４を超えているために、接合に長時間を有し、接合温度のバラツキも見られ、さらに、ろう材の流れ出し、乗り上げ等の問題も発生した。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態ではパワーモジュール用基板１について説明したが、これに限られず、このパワーモジュール用基板１の表面に半導体チップ等の電子部品（図示せず）を搭載し、パワーモジュール用基板１の裏面に熱交換器であるヒートシンク（図示せず）を接合することによってパワーモジュールを形成してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１  ・・・・・・・  パワーモジュール用基板
２  ・・・・・・・  セラミックス基板
３  ・・・・・・・  回路層用金属板
４  ・・・・・・・  熱伝導層用金属板
１１・・・・・・・  均熱性試験装置
１２・・・・・・・  黒鉛製支柱
１３・・・・・・・  試験片
１４・・・・・・・  黒鉛製基台
１５・・・・・・・  黒鉛製上板
１６−１〜１６−４  貫通穴
１７−１〜１７−４  熱電対
【図１】
0005741913.tif 000005
【図２】
0005741913.tif 000006